Лабораторная работа№10

Определение концентрации растворов фотоэлектрическим концентрационным колориметром.

Цель работы: изучить устройство фотоэлектрического концентрационного колориметра и освоить колориметрический метод определения концентраций и оптических плотностей жидкостных растворов.

Приборы: фотоэлектрический концентрационный колориметр КФП-2МП, эталонные и исследуемый растворы CuSO4.

Т Е О Р И Я.

Пусть через однородное вещество распространяется пучок параллельных световых лучей. Выделим в веществе бесконечно тонкий слой dх (рис. 1), ограниченный параллельными поверхностями, перпендикулярными к лучам. Плотность потока энергии при прохождении света сквозь этот слой изменяется на величину –dI ( знак «минус» говорит о том, что плотность потока энергии уменьшается).

Явления поглощения света веществом объясняется с точки зрения электромагнитной теории света следующим образом. Падающая на вещество электромагнитная световая волна имеет частоту 1014 – 1015 Гц. С такой частотой в веществе смогут колебаться только электроны, так как ионы слишком велики и при таких частотах не успевают смещаться под действием переменного электромагнитного поля. В результате колебания электронов возникают вторичные электромагнитные волны той же частоты: отраженные и преломленные, частично же энергия падающей электромагнитной волны переходит в энергии движения атомов, т.е. во внутреннюю энергию вещества. Вынужденные колебания электронов, а следовательно и поглощение света, становятся особенно интенсивными при резонансной частоте.

Поглощением света называется уменьшение энергии световой волны, происходящее по мере проникновения ее вглубь вещества. Для количественной оценки поглощения света введем понятие интенсивности света (I). Интенсивностью света или плотностью потока энергии назовем количество энергии ежесекундно переносимое светом через единицу поверхности, расположенной перпендикулярно к лучам

, (1)W – лучистая энергия

S - площадь, на которую падают электромагнитные волны

t – время прохождения волны.

Закон поглощения света веществом можно вывести не рассматривая внутреннего механизма взаимодействия света с веществом.

Очевидно, dI пропорционально плотности потока энергии Iх, принесенного волной к данному слою, а также толщине слоя вещества dx, т.е.

. (2)

Коэффициент k зависит от длины световой волны, падающего света и химической природы поглощающего вещества, и называется коэффициентом поглощения. Пусть а – полная толщина слоя вещества. Iо и I – плотность потока энергии, падающей на вещество и вышедшей из него. Уравнение (2) – дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными. Перенесем Iх в уравнении (2) в левую часть и проинтегрируем полученное выражение

получим

lnIo – lnI = -k_a

Это экспоненциальный закон поглощения света – закон Бугера.

(3)

Коэффициент поглощения к - это величина, обратная толщине слоя а, на котором интенсивность света уменьшается в е раз. Коэффициент поглощения в области видимого света для воздуха к_ = 10^-6см^-1 , для воды 210^-3см-1, для металлов к_ имеет порядок десятков тысяч – 10³-10⁴см-^1.

Большое значение для медицины имеет изучение поглощения света в растворах. В этом случае поглощение зависит также и от концентрации вещества в растворе. Закон поглощения с учетом концентрации раствора, называемый законом Бугера-Ламберта-Бера, записывается в виде:

, (4)

где  - молекулярный коэффициент поглощения (к=с), зависящий от природы молекул растворенного вещества, от длины волны света и температуры раствора; с - концентрация раствора; а – толщина слоя раствора. Закон Бугера-Ламберта-Бера (4) справедлив при условии, что растворитель не поглощает света данной длины волны и раствор имеет невысокую концентрацию.

Для некоторых практических расчетов наиболее удобно выражение закона Бугера (3) через десятичные логарифмы

(5)

Ясно, что коэффициенты к и к cвязаны: к = 0,1 к, произведение ка называется оптической плотностью слоя вещества (D), т.е. D= ка, а отношение I/Io называется пропусканием (Т).

Из (5) получаем

, (6)

При оптической плотности D= 1 пропускание Т = 0,1 = 10%, при оптической плотности D= 2 пропускание Т = 0,01 = 1% и т.д. с увеличением оптической плотности пропускание света уменьшается по закону, выраженному соотношением (6).

Диэлектрики слабо поглощают свет. В диэлектрике все электроны связаны: они колеблются с собственной частотой 0 и «раскачать» их падающей волне трудно. Однако в том случае, когда частота падающей световой волны  близка к частоте собственных колебаний электрона 0 (резонанс), амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает, возрастает и коэффициент поглощения. Таким образом, поглощение света в диэлектрике имеет селективный (избирательный) характер (рис. 2)

Зависимость к от  представляет собой кривую с рядом максимумов: максимумы представляют собой полосы поглощения веществом света для определенного интервала длин волн. Например «красным» является стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи, и хорошо поглощающие синие, зеленые и фиолетовые лучи. Если красное стекло осветить синим светом, то оно будет казаться «черным», т.к. синие лучи хорошо поглощаются красным спектром. Зависимость оптической плотности (или коэффициента поглощения) вещества (например, раствора) от длины волны  называется спектральной характеристикой вещества (раствора).

Для измерения оптической плотности вещества, концентрации растворов и для изучения спектральной характеристики растворов используется прибор, называемый фотоэлектрический концентрационный колориметр. Колориметр позволяет производить также измерения коэффициентов пропускания рассеивающих взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в проходящем свете.

Устройство и работа колориметра.

Принцип действия колориметра основан на поочередном измерении светового потока Фо=Wо/t, прошедшего через растворитель, по отношению к которому производится измерение, и потока Ф=W/t, прошедшего через исследуемую среду.

Световые потоки Фо и Ф фотоприемниками преобразуются в электрические сигналы Ио и И, которые обрабатываются микро-ЭВМ колориметра и представляются на цифровом табло в виде коэффициента пропускания, оптической плотности, концентрации.

С помощью микро-ЭВМ рассчитывается коэффициент пропускания Т исследуемого раствора по формуле

(7)

Где Ut – величина сигнала при перекрытом световом потоке.

Оптическая плотность исследуемого раствора рассчитывается по формуле:

(8)

Измерение концентрации исследуемого раствора на колориметре возможно при соблюдении основного закона светопоглощения, т.е. при линейной зависимости оптической плотности D исследуемого раствора от концентрации (см(5') и (4) ).

Концентрация исследуемого раствора рассчитывается по формулам:

, (9)

где Со и b – коэффициенты, определяемые по градуировочной характеристике.

(10)

Градуировочная характеристика составляется исследованием по набору растворов с известной концентрацией.

Устройство колориметра.

Общий вид колориметра изображен на рис.3. Колориметр состоит из колориметрического 1 (рис.3) и вычислительного 2 блоков и блока питания. На задней панели колориметра имеется электрошнур с вилкой для включения в сеть, предохранитель и выключатель сетевого напряжения (тумблер).

Рис.3.

В световой пучок светофильтры вводятся ручкой 6 (рис.3). Рабочее положение каждого светофильтра фиксируется.

5 – кюветное отделение, ввод в световой пучок одной или другой кюветы осуществляется поворотом ручки 4 (рис.3) до упора влево или вправо (положение «1» или «2»). В положении «1» в световой пучок вводится кювета с растворителем, в положении «2» – в световой пучок вводится кювета с исследуемым раствором. Кюветное отделение закрывается крышкой 5.

При открытой крышке кюветного отделения шторка перекрывает световой пучок.

Переключение фотоприемников осуществляется с помощью ручки 3 (рис3).

Блок вычислений

В вычислительный блок 2 (рис.3) входит система микро - процессорная (МПС) «Электроника МС2703».

На передней панели МПС расположена клавиатура, цифровое табло и два сигнальных светодиода. Клавиатура состоит из 24 клавиш. Клавиша «Пуск» предназначена для запуска микропроцессорной системы. Клавиши «b» и «С» предназначены для вызова на цифровое табло из памяти МПС значений соответствующих коэффициентов для их контроля и ввода новых значений. Клавиша «СБР» предназначена для стирания значения вызванного коэффициента (в случае необходимости задания нового значения).

Клавиши «0», «1-9», «-», «,» предназначены для набора на цифровом табло МПС нового значения коэффициентов «b» и «С» = Со.

Клавиша «УТВ» предназначена для записи в память МПС нового значения коэффициента «В» или «С», набранного на цифровом табло.

Клавиши «К(1)», «(2)», «Д(5)» предназначены для выполнения калибровки прибора, измерений коэффициента пропускания, оптической плотности исследуемого вещества, концентрации вещества в растворе.

Клавиша «А(3)» предназначена для измерения активности.

Клавиша «Ц/Р» предназначена для перевода МПС в один из двух режимов выполнения измерений: режим одиночных измерений и режим циклических измерений. В режиме одиночных измерений измерения, выполняются один раз при нажатии соответствующей клавиши; в режиме циклических измерений первое измерение производится при нажатии соответствующей клавиши и затем повторяется циклически с периодом 5с до тех пор, пока МПС не будет переведена в режим выполнения одиночных измерений. Перевод МПС из режима циклических измерений в режим одиночных и обратно происходит при нажатии клавиши Ц/Р. Сигнальный светодиод «Ц» и сигнальный светодиод «Р» служат для определения режима измерения, в режиме одиночных измерений горит светодиод «Р», в противном случае горит светодиод «Ц». Цифровое табло состоит из 6-ти индикаторов. Первый индикатор служит для отображения одного из символов «3», «2», «1», «4», «5», «0» появляющегося при нажатии одной из клавиш «А(3)», «(2)», «К(1)», «С(4)», «Д(5)» соответственно и при измерении «нулевого отсчета» n0.

Индикаторы 2-6 служат для вывода результатов измерений и значений параметров «С» и «b».

Клавиша «Ш(0)» МПС предназначена для проверки (измерения) «нулевого отсчета» n0.

Порядок работы.

1.Снятие спектральной характеристики раствора.

Для того, чтобы построить кривую зависимости оптической плотности раствора от длины световой волны (спектральная характеристика раствора) нужно определить оптическую плотность данного раствора в различных участках спектра, выделяемых светофильтрами колориметра. Светофильтры в ход световых лучей вводятся ручкой 6 (рис.3).

При измерении со светофильтрами 315, 340, 400, 440, 490, 540 нм ручку 3 (рис.3) установить в положение «315-540».

При измерении со светофильтрами 590, 670, 750 и т.д. ручку 3 (рис.3) установить в положение «590-980».

После смены светофильтра, а также после нахождения колориметра при открытой крышке кюветного отделения длительное время (более 5 мин.), измерения начинают после 5-ти минутной выдержки фотоприемника в освещенном состоянии, т.е. при закрытой крышке кюветного отделения.

1. Подсоединить колориметр к сети 220 В. Открыть крышку кюветного отделения и включить тумблер «Сеть», при этом должна загореться сигнальная лампочка (на цифровом табло могут появиться различные символы).

2. Нажать клавишу «Пуск» – на цифровом табло появится мигающая запятая и горит индикатор «Р». Если запятая не появилась – повторно нажмите клавишу «Пуск». Выдержать колориметр при включенном состоянии в течение 15 минут при открытой крышке кюветного отделения. Измерение и учет «нулевого отсчета» n0 производится при помощи клавиши «Ш(0)» МПС. Перед измерением «нулевого отсчета» n0 крышку кюветного отделения закрыть и открыть. По истечении 5с нажать клавишу «Ш(0)». На цифровом табло справа от мигающей запятой высвечивается значение п0 , а слева – символ «0». Значение n0 должно быть не менее 0.001 и не более 1.000.

3. В кюветное отделение установить кюветы с растворителем и исследуемым раствором. Кювету с растворителем установить в дальнее гнездо кюветодержателя, а кювету с исследуемым раствором в ближнее гнездо кюветодержателя. Ручкой 6 установить необходимый светофильтр, ручкой 3 – нужный фотоприемник (рис. 3). Начинают со светофильтра 315 нм.

4. Ручку 4 (рис.3) установить в положение «1» (в световой поток вводится кювета с растворителем).

5. Закрыть крышку кюветного отделения, нажать клавишу «К(1)». На цифровом табло слева от мигающей запятой загорается символ «1».

6. Затем ручку 4 (рис.3) установить в положение «2» (в световой пучок вводится кювета с исследуемым раствором).

7. Нажать клавишу «Д(5)». На цифровом табло слева от мигающей запятой появляется символ «5», означающий, что произошло измерение оптической плотности. Отсчет на цифровом табло справа от мигающей запятой соответствует оптической плотности исследуемого раствора.

8. Операцию по п-п 4-7 повторить 3 раза. Оптическую плотность определить как среднее арифметическое из полученных значений.

9. Ручкой 6 (рис.3) установить следующий светофильтр.

10. Повторить операции 4-9.

11. Светофильтры меняют от 315 до 740 нм (при включении светофильтра 590 нм переключите фотоприемник ручкой 3).

12. Строят кривую зависимости оптической плотности раствора от длины волны, которая является спектральной характеристикой данного раствора.

2. Определение концентрации раствора медного купороса.

При измерении концентрации вещества в растворе следует соблюдать следующую последовательность в работе:

выбор светофильтра;

выбор кюветы;

построение градуированного графика для данного вещества и определения коэффициентов «С» и «b»;

введение коэффициентов «С» и «b» в память вычислительного блока;

измерение концентрации вещества.